OSI 7계층과 TCP/IP 4/5계층에서의 클라이언트-서버 연결 과정

클라이언트와 서버가 네트워크에서 연결을 만드는 과정에서는 다양한 계층의 프로토콜과 하드웨어가 함께 작동하여, 신뢰성 있고 안전하며 효율적인 통신이 이루어집니다. OSI 7계층과 TCP/IP 4/5계층 각각의 관점에서, 그리고 관련 하드웨어 측면까지 최대한 설명해보겠습니다.

1. OSI 7계층: 클라이언트와 서버가 어떻게 연결되는가

OSI(Open Systems Interconnection) 모델은 네트워크 동작을 7개의 계층으로 구분합니다. 각 계층은 연결 설정과 데이터 송수신에서 고유의 역할을 합니다.

각 계층에서 연결에 관여하는 역할

• 1계층: 물리 계층(Physical Layer)

  • 실제로 0, 1 비트를 물리적 매체를 통해 전송.
  • 하드웨어: 네트워크 케이블(이더넷, 광케이블), 네트워크 카드(NIC), 스위치, 허브, 무선랜 모듈 등
  • 클라이언트의 NIC가 디지털 데이터를 전기/광/무선 신호로 변환, 케이블이나 무선으로 서버의 NIC에게 전달.

• 2계층: 데이터링크 계층(Data Link Layer)

  • 신호를 프레임으로 패키징하고, MAC 주소로 물리적 주소지정.
  • 하드웨어: NIC, 스위치 등
  • 이더넷 프레임 생성(소스/목적지 MAC 주소 지정).

• 3계층: 네트워크 계층(Network Layer)

  • 논리적 주소(IP) 할당 및 패킷 라우팅.
  • 하드웨어: 라우터가 IP 패킷을 다른 네트워크로 전달.
  • 패킷의 최종 목적지까지 최적 경로 계산.

• 4계층: 전송 계층(Transport Layer)

  • 신뢰성 있는 연결 제공, 데이터 흐름 제어.
  • TCP는 이 계층에서 3-way handshake 수행:
    1. 클라이언트가 SYN(연결 요청) 전송
    2. 서버가 SYN-ACK(응답)
    3. 클라이언트가 ACK(확인) 전송 — 연결 성립
  • 이로써 데이터 전송을 위한 논리적 연결이 맺어짐.

• 5계층: 세션 계층(Session Layer)

  • 세션(연결)의 생성·유지 및 종료 관리
  • 체크포인트, 복구 기능 제공(중간단계 동기화)

• 6계층: 표현 계층(Presentation Layer)

  • 데이터 포맷 변환, 암호화/복호화, 압축 수행

• 7계층: 응용 계층(Application Layer)

  • 사용자 응용프로그램(웹 브라우저, 메일 등)에 네트워크 서비스 제공
  • 클라이언트가 HTTP GET 등 요청을 생성, 서버가 응답

요약 (OSI 관점의 연결 과정 흐름)

• 하드웨어가 먼저: 클라이언트와 서버의 NIC 및 케이블이 신호/프레임을 물리적으로 송신, 스위치가 LAN내 프레임 전달, 라우터가 네트워크 간 패킷 라우팅.
• 논리 주소/전송: IP주소로 장치 식별, TCP가 핸드셰이크로 신뢰성 보장.
• 세션 관리: OS가 세션 유지 및 관리.
• 응용 처리: 응용프로그램이 직접 데이터 송수신.

2. TCP/IP 모델(4계층 또는 5계층)에서의 클라이언트-서버 연결

TCP/IP 모델은 OSI에 비해 좀 더 단순하고 실제 네트워크 구현에 가까운 4계층 또는 5계층 구조를 사용합니다.

TCP/IP 연결 과정 세부 설명

• 물리/네트워크 인터페이스 계층(1~2계층)

  • NIC가 데이터 비트를 신호로 변환, 케이블/무선 송수신.
  • 프레임 작성 및 오류 감지, MAC 주소로 목적지 지정

• 인터넷 계층(3계층)

  • IP주소로 패킷 생성, 라우터 통해 최종 서버까지 전달.
  • 라우터는 목적지 IP를 보고 최적 경로로 패킷 포워딩.

• 전송 계층(4계층)

  • TCP 3-way handshake로 연결 형성
    1. 클라이언트가 SYN 패킷을 서버의 IP/Port로 전송
    2. 서버가 SYN-ACK 응답
    3. 클라이언트가 ACK 전송
  • 연결 성립 후에는 오류 제어/흐름제어/재전송 처리

• 응용 계층(5계층, 4계층 모델에서는 4번째)

  • 클라이언트 응용이(예: HTTP GET 요청) 서버로 데이터 전송
  • 서버가 요청을 받아 처리 및 응답

3. 연결에 관여하는 주요 하드웨어

클라이언트 측 하드웨어

• 응용프로그램: 데이터 생성(웹브라우저 등)
• 운영체제 네트워크 스택: TCP/IP 프로토콜 구현, 데이터 포장/해제
• NIC(네트워크카드): 디지털 데이터 → 신호 변환
• 전송 매체: 이더넷/광케이블/무선 등

네트워크 인프라 하드웨어

• 스위치: 2계층에서 프레임을 MAC 주소 기준으로 전달
• 라우터: 3계층에서 IP 패킷을 네트워크 간에 전달
• 방화벽/프록시: 패킷 검사 및 보안 정책 적용 (옵션)

서버 측 하드웨어

• 구조는 클라이언트와 유사
• NIC로 신호 수신 및 데이터 처리
• OS의 TCP/IP 스택 사용, 서버 프로그램이 클라이언트 요청 처리 후 응답

4. 일반적인 TCP/IP 클라이언트-서버 연결 단계별 과정

1. 클라이언트 응용프로그램이 연결 요청

   • 서버 IP/Port로 연결 요청

2. DNS 도메인 주소 해석

   • 도메인 입력 시 IP주소 변환

3. 전송 계층: TCP 3-way 핸드셰이크

   • 클라이언트 → SYN, 서버 → SYN-ACK, 클라이언트 → ACK 순으로 송수신

4. 데이터링크/물리 계층

   • 데이터가 이더넷 프레임, 신호로 송수신됨
   • 스위치/라우터를 거쳐 서버 도달

5. 서버가 요청 처리

   • OS가 패킷을 해제, 서버 응용프로그램이 요청 처리

6. 서버가 응답 송신

   • 서버에서 동일 계층 과정을 통해 데이터 전송

7. 연결 종료

   • FIN 플래그로 연결 정상 종료 (TCP)

요약 표

즉, 클라이언트와 서버가 연결을 형성하는 과정은 여러 계층에서 하드웨어와 소프트웨어의 협업으로 이루어집니다. 신호의 송수신(물리/데이터링크), 주소지정과 라우팅(네트워크), 신뢰성 있는 연결 및 흐름관리(전송), 그리고 실제 데이터 송수신 및 세션관리(상위계층) 과정이 모두 유기적으로 동작합니다.